Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI

Hui  Ming Khoo; Yuya Fujita; Naoki Tani; Tetsuya Shimokawa; Natalja Zazubovits; Satoru Oshino; Jean Gotman; Haruhiko Kishima

doi:10.3791/62247

JoVE Journal > Neuroscience

Nörobilim

Aquisição confiável de dados de eletroencefalografia durante eletroencefalografia simultânea e ressonância magnética funcional

Published: March 19, 2021

doi:

10.3791/62247

Hui Ming Khoo¹, Yuya Fujita¹, Naoki Tani¹, Tetsuya Shimokawa², Natalja Zazubovits³, Satoru Oshino¹, Jean Gotman³, Haruhiko Kishima¹

¹Department of Neurosurgery,Osaka University Graduate School of Medicine, ²Center for Information and Neural Networks,National Institute of Information and Communications Technology, ³Montreal Neurological Institute and Hospital,McGill University

Özet

Este artigo fornece um protocolo simples para a aquisição de dados de eletroencefalografia de boa qualidade (EEG) durante o EEG simultâneo e ressonância magnética funcional utilizando produtos médicos prontamente disponíveis.

Abstract

A eletroencefalografia simultânea (EEG) e a ressonância magnética funcional (fMRI), EEG-fMRI, combina as propriedades complementares do EEG do couro cabeludo (boa resolução temporal) e fMRI (boa resolução espacial) para medir a atividade neuronal durante um evento eletrográfico, através de respostas hemodinâmicas conhecidas como alterações dependentes do nível de oxigênio do sangue (BOLD). É uma ferramenta de pesquisa não invasiva que é utilizada em pesquisas de neurociência e é altamente benéfica para a comunidade clínica, especialmente para o manejo de doenças neurológicas, desde que equipamentos e protocolos adequados sejam administrados durante a aquisição de dados. Embora a gravação do EEG-fMRI seja aparentemente simples, a preparação correta, especialmente na colocação e proteção dos eletrodos, não é apenas importante para a segurança, mas também é fundamental para garantir a confiabilidade e a análise dos dados do EEG obtidos. Esta também é a parte mais exigente da preparação. Para resolver essas questões, foi desenvolvido um protocolo simples que garanta a qualidade dos dados. Este artigo fornece um guia passo-a-passo para a aquisição de dados EEG confiáveis durante o EEG-fMRI usando este protocolo que utiliza produtos médicos prontamente disponíveis. O protocolo apresentado pode ser adaptado a diferentes aplicações do EEG-fMRI em pesquisas e ambientes clínicos, podendo ser benéfico tanto para operadores inexperientes quanto para especialistas.

Introduction

A ressonância magnética funcional (fMRI) fornece uma medida da atividade neuronal através de respostas hemodinâmicas medindo alterações dependentes do nível de oxigênio do sangue (BOLD) durante um evento eletrográfico. A eletroencefalografia simultânea (EEG) e fMRI (EEG-fMRI) é uma ferramenta de pesquisa não invasiva que combina as propriedades sinérgicas do EEG do couro cabeludo (boa resolução temporal) e fMRI (boa resolução espacial), permitindo uma melhor localização do local responsável pela geração de eventos eletrográficos detectáveis no EEG. Foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1990 para uso no campo da epilepsia¹^,² e posteriormente tem sido usado em pesquisas de neurociência desde os anos 2000³^,⁴. Com o aumento do conhecimento sobre a segurança⁵ e o desenvolvimento contínuo de técnicas para a remoção de artefatos induzidos por Ressonância Magnética no EEG³^,^6,^7,^8,^9,¹⁰, é atualmente uma ferramenta amplamente utilizada tanto na neurociência quanto na pesquisa clínica¹¹.

O EEG-fMRI é adquirido em repouso ou durante uma tarefa, dependendo da questão da pesquisa. Em geral, a aquisição do estado de repouso permite a identificação de estruturas envolvidas na geração de um determinado recurso de EEG (por exemplo, forma de onda, ritmo, frequências, potência) e ajuda na compreensão das atividades cerebrais espontâneas^{variáveis 11}. Uma série de estudos de neurociência e a maioria dos estudos clínicos, especialmente aqueles sobre epilepsia^12,adquirem EEG-fMRI no repouso¹¹. A aquisição baseada em tarefas permite a identificação de áreas cerebrais e atividades elétricas cerebrais atribuídas ou relacionadas a uma tarefa específica e ajuda a estabelecer a ligação entre as atividades elétricas e as áreas cerebrais associadas à tarefa. A aquisição baseada em tarefas é utilizada principalmente em estudos de neurociência¹¹ e alguns estudos clínicos¹³. A maioria das aquisições de EEG-fMRI baseadas em tarefas usam um design relacionado a eventos. O tipo de modelagem usada para integrar dados de EEG e fMRI determina se a eficiência ou a energia de detecção devem ser maximizadas na concepção da tarefa¹⁴. Consulte os estudos de Menon et al.¹⁴ e Liu et al.¹⁵^,¹⁶ para obter detalhes sobre o desenho da tarefa.

Embora a aquisição de dados durante o EEG-fMRI possa parecer simples, a preparação é exigente. Um protocolo para orientar a preparação adequada para a aquisição de dados é importante para garantir tanto a segurança quanto o rendimento (ou seja, dados analisadores e confiáveis). Apesar da existência de várias técnicas para remover artefatos de EEG induzidos por Ressonância Magnética, artefatos inconsistentes no EEG registrados, especialmente aqueles relacionados à vibração induzida por máquinas dos fios e movimentos brutos dos sujeitos, ainda são difíceis de remover completamente; portanto, esses artefatos precisam ser minimizados durante a aquisição de dados.

Este artigo apresenta um protocolo simples que utiliza produtos médicos prontamente disponíveis compatíveis com ressonância magnética. O protocolo fornece passos importantes que garantem a qualidade dos dados de dados de EEG, que são fundamentais para o sucesso de um estudo EEG-fMRI. Este protocolo foi desenvolvido com base na experiência de 20 anos da equipe de pesquisa EEG-fMRI do Instituto Neurológico de Montreal¹²^,¹⁷ e foi modificado para uso na Universidade de Osaka, o que beneficia tanto operadores inexperientes quanto especialistas.

Protocol

O comitê de ética em pesquisa do Hospital Universitário de Osaka e o comitê de segurança do Centro de Informações e Redes Neurais (CiNET) aprovaram o protocolo (Aprovação do Hospital Universitário de Osaka nº 18265 e 19259; Aprovação cinet no. 2002210020 e 2002120020). Todos os sujeitos forneceram consentimento por escrito informado para sua participação. 1. Preparação da configuração experimental Conecte o EEG compatível com ressonância magnética e amplificadores bipolares às baterias (certifique-se de que estão totalmente carregadas) e ao computador de gravação. Certifique-se de que o espaço de trabalho do software de gravação está configurado corretamente. Defina a resolução de amplitude para 0,5 μV para evitar a saturação do amplificador; definir os filtros de frequência de acordo com a faixa de frequência de interesse. Defina a taxa de amostragem em 5.000 Hz (máximo possível para os amplificadores utilizados neste protocolo), independentemente da faixa de frequência de interesse.NOTA: A resolução de amplitude a 0,5 μV corresponde a um valor máximo de 16,38 mV, o que é suficiente para registrar o artefato gradiente, considerando que os picos de artefato gradiente podem atingir amplitudes acima de 100 vezes mais do que os do EEG espontâneo (aproximadamente 10-100 μV) em altas velocidades (>1.000 vezes mais rápido do que a taxa de mudança do EEG em curso). Teoricamente, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes mais alta (teorema de Nyquist) como a maior frequência no espectro de comutação de gradiente, a fim de provar com precisão os artefatos de comutação de gradiente de alta frequência e detectar o verdadeiro início da atividade gradiente de cada volume para posterior remoção12,18. No entanto, o aumento da taxa de amostra resulta em grandes tamanhos de arquivos, que requerem investimento significativo para armazenamento de dados e também podem impedir o pós-processamento subsequente. O uso do dispositivo de sincronização torna desnecessário aumentar a taxa de amostra para melhorar a sincronização entre os relógios EEG e MR (ver passo 1.4). Uma taxa de amostragem de 5.000 Hz é adequada para registros habituais de EEG/ERP (Event- related), e taxas de amostra mais altas não melhoram a qualidade dos dados porque o processo subsequente de correção de artefatos, que envolve a amostragem dos dados para uma frequência abaixo de 500 Hz e filtragem adicional de baixa passagem, elimina todos os resíduos de correção de gradientes de alta frequência que podem existir18. Consulte o manual para obter detalhes sobre as configurações adequadas do software de gravação necessário para aquisição de EEG na ressonância magnética, o que difere daquele fora da ressonância magnética. Verifique se os marcadores do scanner, ou seja, os marcadores para sincronização do relógio (sincronização por padrão) e gatilho de volume (R128 por padrão), são exibidos periodicamente na gravação de EEG on-line. A sincronização no visor indica que o scanner de ressonância magnética e os relógios EEG estão sincronizados, e R128 indica que os gatilhos de volume são registrados para posterior pós-processamento. O scanner de ressonância magnética e os relógios EEG são sincronizados usando o dispositivo SyncBox, que detecta a saída do relógio do scanner (geralmente 10 MHz ou mais), as saídas e saídas do sinal do relógio (e dos marcadores de sincronização) para a interface USB2.NOTA: A interface USB2 envia os dados EEG de todos os amplificadores, que estão bloqueados em fase no sinal do relógio do scanner, para o computador de gravação18. A sincronização periódica nos marcadores são gatilhos gerados a partir do pulso elétrico do scanner para sincronizar a amostragem de sinal EEG pela taxa do scanner MR, um requisito para a correção do artefato do scanner. Os gatilhos de volume são usados para identificar o tempo de início da varredura de volume de MR para correção de artefatos de scanner durante o processamento de EEG offline19. Configure o scanner de ressonância magnética de acordo com a necessidade e disponibilidade. É melhor usar uma transmissão e receber a frequência de rádio da cabeça (RF)-bobina para minimizar o risco de aquecimento rf. No entanto, um corpo inteiro transmite rf-bobina e uma cabeça de 20 canais recebem apenas RF-bobina foram usados aqui porque uma bobina de transmissão e recebimento da cabeça não estava disponível para o scanner usado (tipicamente o caso para a maioria dos scanners modernos). Carregue uma seringa de 10 mL (ou várias conforme necessário) com o gel condutor abrasivo para aplicação da tampa EEG. Pode-se pré-carregar o gel abrasivo em uma seringa plástica de 50 mL de grande capacidade para distribuição de fluidos e encher a seringa de 10 mL com o gel antes da chegada do sujeito.NOTA: A aplicação de uma tampa EEG de 32 canais normalmente consome cerca de 20-25 mL de gel. 2. Aplicando a tampa EEG e o eletrodo ECG No recrutamento, peça ao sujeito para completar uma lista de possíveis contraindicações para ressonância magnética. Confirme que o sujeito não tem contraindicações para ressonância magnética antes da chegada.NOTA: Em geral, qualquer sujeito que se qualifique para ressonância magnética pode participar de um estudo EEG-fMRI. Os critérios de exclusão são: sujeitos não cooperativos ou não compatíveis; aqueles com condições subjacentes (por exemplo, dor crônica nas costas), que os impedem de mentir supino por um determinado período de tempo (tipicamente pelo menos 1h); ou sujeitos que podem ser incapazes de ficar ainda na mesa de ressonância magnética durante a varredura. O movimento não só dificulta a qualidade dos dados EEG e fMRI, mas também impõe um risco potencial aos próprios sujeitos (por exemplo, induz a corrente nos fios e cabos que podem causar estimulação). No caso de aquisição baseada em tarefas, a capacidade de compreensão linguística do sujeito também deve ser considerada (evite sujeitos que não conseguem entender as instruções). Neste estudo, foram recrutados 32 voluntários saudáveis (idade média, 40 anos; 17 mulheres) e 25 pacientes com epilepsia (idade média, 31 anos; 13 mulheres). Peça aos sujeitos para lavar o cabelo com shampoo sem condicionador ou cera antes da chegada. Explique o propósito do experimento e os próximos passos para o assunto. Meça a circunferência da cabeça (ou seja, circunferência frontal occipital) envolvendo uma fita de medição flexível não elástica ao redor da cabeça sobre as cristas supraorbitais e a occiput e selecione uma tampa de tamanho apropriado. Use uma tampa 1 cm maior que a circunferência da cabeça, e sempre pergunte ao sujeito se a tampa é confortável uma vez colocada (ou seja, não muito apertada). Depois de colocar a tampa na posição aproximada sobre a cabeça do sujeito, usando a mesma fita métrica, meça os comprimentos do arco inion-nasion, definido como o arco sobre a linha média da cabeça estendendo-se da occiput à ponte do nariz, e o arco peri-auricular, definido como o arco que se estende entre as orelhas que cruza o ponto médio do arco inion-nasion, sobre a tampa. Marque a intersecção do arco inion-nasion e o arco peri-auricular (o ponto onde os pontos médios de ambos os arcos se encontram, também conhecido como Cz), e deslize a tampa sobre a cabeça para que a posição do eletrodo Cz seja ajustada a esta intersecção. Certifique-se de que a tampa não é girada horizontalmente verificando se os eletrodos Fz, Pz, Oz, Reference e Ground estão posicionados sobre o arco inion-nasion. Exponha a pele debaixo de cada eletrodo deslocando o cabelo para o lado do eletrodo usando a parte de trás de um cotonete. Esfregue a pele sob cada eletrodo girando rapidamente um cotonete contendo 70% de solução alcoólica colocada através da abertura do eletrodo. Aplique uma pequena quantidade do gel condutor abrasivo (~0,2 mL) na abertura e abrade a pele girando rapidamente um cotonete de forma semelhante. Monitore a impedância do eletrodo (exibido pelo software de gravação) e repita a abrasão conforme indicado na etapa 2.8 até que a impedância caia pelo menos abaixo de 20 kΩ20, de preferência o mais baixo possível (abaixo de 5 kΩ)21. Encha a abertura com o mesmo gel (geralmente ~0,5 mL) uma vez que a impedância seja satisfatória. Não aplique gel excessivo na abertura para evitar a ponte entre os eletrodos. Mova-se para o próximo eletrodo se a impedância for insatisfatória apesar da abrasão repetida e voltar mais tarde porque às vezes a impedância continua a cair com o tempo depois de aplicar o gel. Repita as etapas 2.6-2.9 para todos os eletrodos EEG do couro cabeludo. Antes de colocar o eletrodo ECG na parte de trás, peça ao sujeito para sentar-se ereto sem flexionar o pescoço. Certifique-se de que o fio eletrodo ECG está reto ao colocar o eletrodo ECG na parte de trás, mas mantenha alguma permissão para colocar o fio eletrodo ECG ao longo da curva do pescoço, para evitar o deslocamento do eletrodo quando o sujeito estiver sobre a mesa de ressonância magnética. Coloque o eletrodo ECG 2-3 cm à esquerda do sulco mediano, que pode ser identificado como o recuo vertical ao longo da linha média da parte traseira. A posição vertical varia dependendo da altura do sujeito; é tipicamente posicionado na parte inferior das costas aproximadamente na linha que se estende entre as pontas da escápula em um assunto de cerca de 160 cm. Esfregue a pele debaixo do eletrodo ECG com um cotonete de álcool. Conecte o eletrodo ECG à pele usando um anel adesivo de dupla lateridade e repita as etapas 2.8-2.9. O anel adesivo também serve como um estofamento para evitar o contato direto do eletrodo com a pele. Dobre o cotonete de algodão álcool seco em quatro, e coloque-o no eletrodo ECG. Fita na pele usando uma fita cirúrgica (fita adesiva médica). Fita o fio eletrodo ECG na pele até o ombro. 3. Aplique o laço do fio de carbono (se um amplificador bipolar estiver disponível) Coloque um conjunto de fio de carbono pré-trança (diâmetro 1 mm)9 consistindo de seis laços (diâmetro de 10 cm) sobre a tampa em uma posição de tal forma que o feixe dos fios venha em paralelo com o feixe dos eletrodos na parte superior da cabeça. Use fita cirúrgica (1 x 2 cm) para fixar os laços ao redor dos eletrodos, de modo que os laços cobrem a cabeça com cada laço cobrindo uniformemente quase uma área igual (ou seja, tanto o fronto-temporal, tanto o temporo-occipital, quanto o vértice). Alternativamente, também se pode costurar os loops para o EEG-cap, se aplicável.NOTA: As alças do fio de carbono na cabeça servem para capturar o movimento, incluindo o ballistocardiograma (BCG). Esses sinais são usados para a remoção de artefatos BCG do EEG durante o processamento de EEG offline9. 4. Fixar a tampa e os laços de fio de carbono Certifique-se de que os eletrodos EEG não estão formando laços. Enrole a cabeça do sujeito com um curativo elástico sobre a tampa EEG e os laços de carbono. O curativo serve para pressionar o eletrodo EEG firmemente sobre a pele, para reduzir a vibração induzida pelo maquinário de ressonância magnética dos eletrodos e evitar que o gel derrame sobre o travesseiro ao colocar o sujeito dentro do scanner MR (ver passo 5). Certifique-se de que o curativo cobre todos os eletrodos e não está muito apertado perguntando se o sujeito sente pressão desconfortável na cabeça durante a aplicação do curativo. 5. Colocar o assunto no scanner mr No caso de aquisição de estado de repouso, instrua o sujeito a aplicar fones de ouvido compatíveis com ressonância magnética nos ouvidos. No caso de aquisição baseada em tarefas, instrua o sujeito a aplicar o fone de ouvido ou fones de ouvido compatíveis com ressonância magnética, de acordo com a exigência do experimento. Certifique-se de que o sujeito possa ouvir através de ambos os lados do fone de ouvido ou fones de ouvido. Coloque um travesseiro de espuma de memória plana compatível com ressonância magnética na metade inferior da bobina da cabeça antes de pedir ao sujeito para se deitar e colocar a cabeça na bobina. Depois de posicionar a cabeça adequadamente (parte superior da cabeça colocada o mais perto possível da parte superior da bobina da cabeça), coloque os feixes de eletrodo e fio de carbono diretamente através da abertura superior da bobina da cabeça. Adicione travesseiros de espuma de memória ao topo da cabeça, testa e área temporal. Os travesseiros devem encher adequadamente todos os espaços deixados dentro da bobina da cabeça, sem comprimir a cabeça do sujeito muito fortemente. Certifique-se de que os travesseiros não estão apertando a cabeça enquanto coloca a parte superior da bobina da cabeça e ao fechar a bobina. Ajuste os travesseiros ou mude para travesseiros de tamanho menor se estiver muito apertado. Desta forma, os travesseiros servem para segurar os fios de eletrodo para reduzir a vibração induzida pelo maquinário de ressonância magnética nos fios do eletrodo e para conter os movimentos da cabeça, mantendo o conforto do sujeito durante a varredura. Coloque um travesseiro de espuma de memória em forma de meio cilindro na parte de trás do pescoço para que o fio eletrodo ECG seja bem sanduíche entre o travesseiro e o pescoço. A porção do fio eletrodo ECG que passa na parte de trás abaixo do ombro é de fato sanduíche entre a parte de trás do sujeito e a mesa de ressonância magnética e é assim imobilizada pelo próprio peso do sujeito. No caso de uma aquisição baseada em tarefas, depois de colocar todos os travesseiros de espuma de memória, certifique-se de que o fone de ouvido ou fones de ouvido não sejam deslocados por testes novamente se o sujeito ainda pode ouvir através de ambos os lados do fone de ouvido ou fones de ouvido. Após fechar a bobina da cabeça, coloque o espelho e instrua o sujeito a ajustar o espelho (no caso da tarefa que requer estímulos visuais). Instrua o sujeito a ajustar o espelho, se necessário, depois de mover a mesa para colocar a cabeça do sujeito no isocentro da ressonância magnética. Conecte os amplificadores colocados na parte de trás da ressonância magnética ao computador de gravação colocado na sala do console usando as fibras ópticas fornecidas. Depois de conectar os eletrodos EEG/ECG e os laços de fio de carbono ao EEG e aos amplificadores bipolares na parte de trás do furo de ressonância magnética, ligue os amplificadores. Novamente, verifique a impedância de todos os eletrodos para ter certeza de que eles ainda estão baixos (pelo menos abaixo de 20 kΩ). Remova o assunto do scanner mr para ajuste se houver algum eletrodo com alta impedância. 6. Configuração dos fios e amplificadores Disponha todos os fios entre a saída da abertura superior da bobina da cabeça e os amplificadores (incluindo os eletrodos e os feixes de fios de carbono, a caixa do conector e os fios da fita) para que sejam colocados em linha reta e no centro da ressonância magnética. Isso é importante para minimizar a corrente induzida pela ressonância magnética. Coloque uma alça de fio de carbono ao redor do cabo de fita indo da caixa do conector de eletrodos EEG/ECG para o amplificador e conecte todos os laços de fio de carbono (ver passo 5.7) à caixa de entrada do amplificador bipolar (EXG MR). Este laço serve principalmente para capturar as vibrações causadas pela bomba de Hélio9. Para minimizar a vibração induzida pelo maquinário de ressonância magnética, imobilize os fios, sanding todos eles com sacos de areia não ferromagnéticos e não ferromagnéticos ao longo do caminho entre a saída da abertura superior da bobina da cabeça e os amplificadores. Além disso, coloque sacos de areia nos amplificadores. Estes sacos de areia, medidos 330 mm x 240 mm x 50 mm e pesando 4 kg, são fornecidos pelo fabricante EEG. Posicione os amplificadores fora do furo do ímã, o que é permitido pelo comprimento dos cabos fornecidos pelo fabricante. 7. Aquisição de dados EEG-fMRI Certifique-se de que o sujeito está confortável com o posicionamento antes de sair da sala do scanner, para evitar movimentos desnecessários de assunto durante a aquisição. Instrua o sujeito a pressionar o botão de alarme, se necessário (ou seja, em caso de emergência ou se o sujeito sentir uma sensação desconfortável). Comunique-se com o assunto da sala do console para confirmar que o sujeito pode ouvir o operador. Diga ao assunto que ruídos altos são esperados durante a aquisição de dados. Instrua o assunto conforme necessário para o experimento e instrua o sujeito a não se mover durante a aquisição de dados. Inicie a gravação do EEG antes de iniciar a aquisição da FMRI. Normalmente, as seguintes imagens são adquiridas sequencialmente: imagens de scout (bidimensionais) para posicionamento do campo de visão fMRI, fMRI e imagens estruturais para co-registro das imagens fMRI durante o pós-processamento. As sequências de shim foram executadas antes de adquirir cada tipo de imagem para calibração dos parâmetros apropriados.NOTA: É importante usar sequências de ressonância magnética comprovadamente seguras com amplificadores para manter a segurança e evitar qualquer dano aos amplificadores18. Detalhes sobre as sequências consideradas seguras não serão discutidos em detalhes. Os leitores são encorajados a consultar o manual do usuário ou a equipe de suporte. Em geral, as sequências de eco gradiente são recomendadas e as sequências de eco de rotação ou qualquer sequência com parâmetros equivalentes de emissão de RF, que podem causar aquecimento induzido por RF excessivo, devem ser evitadas. O aquecimento pode ser quantificado indiretamente usando métricas que medem a quantidade de exposição de RF, como taxa específica de absorção de energia (SAR) e o valor quadrado médio raiz de B1+ média acima de 10 s (B1+rms). Recentemente, b1+rms, dependente dos parâmetros de imagem, mas independente da massa corporal22dos sujeitos, está se tornando a nova norma para especificar o limite. Por exemplo, os limites B1+rms para aquisição em 3 T usando a tampa EEG de produtos cerebrais são de 1 μT para a tampa padrão atual e 1,5 μT para a nova tampa EEG padrão com um cabo empacotado mais curto (10 cm)23. Ângulo de lançamento, número de fatias e tempo de repetição (TR) são parâmetros que precisam ser considerados para manter sar e B1+rms baixos. Recomenda-se um pequeno ângulo de lançamento (<90°). O número de fatias e TR podem ser ajustados desde que a sequência resultante esteja abaixo do limiar de B1+rms23. Ao iniciar a aquisição, certifique-se de que novamente os marcadores do scanner (ver 1.4) sejam exibidos periodicamente na gravação do EEG on-line.

Representative Results

Ao colocar a tampa EEG usando este protocolo, a impedância de cada eletrodo geralmente cai abaixo de 20 kΩ (Figura 1). Sinais de EEG representativos obtidos de um sujeito (homem de 20 anos) que participou de um estudo neurocognitivo, e um sujeito diferente (mulher de 19 anos) que participou de um estudo de epilepsia usando este protocolo no mesmo scanner de Ressonância Magnética são mostrados na Figura 2 e Figura 3, respectivamente. O sujeito submetido a testes neurocognitivos foi instruído a manter os olhos abertos, mas ficar parado enquanto realizava uma tarefa visual como instruído. O sujeito do estudo da epilepsia foi instruído a fechar os olhos e dormir, pois as atividades epilépticas são tipicamente mais frequentes durante o sono. Os sinais de EEG adquiridos de ambos os estudos foram semelhantes antes do processamento (Figura 2); o artefato de gradiente de ressonância magnética obscureceu os sinais reais de EEG. Os sinais de EEG de ambos os estudos foram processados offline da seguinte forma: os artefatos de ressonância magnética foram removidos usando o método de subtração24; e BCG, movimentos e artefatos da bomba de hélio foram removidos usando a regressão de sinais registrados a partir das alças de fio de carbono7,9. Os sinais de EEG resultantes (Figura 3B) de ambos os estudos foram de qualidade analisável sem contaminação visível de artefatos BCG(Figura 3A). As atividades epilépticas foram claramente observadas no EEG durante o estudo de epilepsia (Figura 3B). No EEG adquirido durante o estudo neurocognitivo, foram observados pisca-pisca, movimento ocular e artefatos musculares, especialmente nos condutores frontais (Fp1 e Fp2) após a remoção do artefato(Figura 3B)devido à natureza do estudo, podendo ser posteriormente removido usando outros métodos dependendo da necessidade. Nenhum artefato originário de vibrações de máquinas foi visto em sinais de EEG pós-processados adquiridos durante ambos os estudos (Figura 3B comparável aos sinais de EEG adquiridos fora da Ressonância Magnética, como mostrado na Figura 3C). Nenhum artefato originário dos eletrodos EEG foi visto nas imagens mr adquiridas simultaneamente(Figura 4). Figura 1: Impedância de eletrodos EEG representativa que caiu abaixo de 5 kΩ após a aplicação de um limite de EEG de 32 canais sobre um sujeito que participou de um estudo neurocognitivo. Cada círculo colorido redondo representa um eletrodo EEG, com o nome do eletrodo escrito dentro do círculo; a posição de cada círculo representa a posição de cada eletrodo na tampa EEG. A barra de cor e os números à direita representam o intervalo da impedância que está sendo medida (0-5 kΩ neste caso); a cor verde indica que o valor de impedância é menor do que o valor do nível bom, e a cor vermelha indica nível ruim. Neste exemplo, os eletrodos CP1, O1, Oz, O2 e ECG são indicados em verde claro, o que significa que as impedâncias desses eletrodos foram de 2 kΩ; o resto dos eletrodos são indicados em verde escuro, o que significa que as impedâncias desses eletrodos foram de 0 kΩ. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2: Sinal EEG antes do processamento. Note que o artefato de gradiente de ressonância magnética obscureceu os sinais reais de EEG. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3: Sinais representativos de EEG de indivíduos que participaram de estudos neurocognitivos e de epilepsia. Os sinais de EEG na linha superior eram de um estudo neurocognitivo e os da linha inferior eram de um estudo de epilepsia. Os sinais de EEG foram processados offline. (A) Sinais de EEG após a remoção do artefato de gradiente de ressonância magnética. As caixas em azul claro indicam artefatos BCG. (B) Sinais de EEG após a remoção de artefatos usando regressão de sinais registrados a partir das alças de fio de carbono. (C) Sinais de EEG registrados fora da ressonância magnética utilizando o mesmo equipamento EEG. Os sinais de EEG foram mostrados em montagem referencial (referência no FCz); EEG na montagem bipolar (cada canal representa a diferença de tensão entre um par de eletrodos adjacentes) do mesmo segmento também é mostrado para EEG adquirido durante um estudo de epilepsia para facilitar a visualização de atividades epilépticas. As pontas de flecha azul (B e C, linha superior) indicam piscar (deflexões lentas de alta amplitude/potenciais diphasicos em Fp1 e Fp2), a ponta da seta preta (B, linha superior) indica movimento dos olhos resultante de uma saccade ou uma mudança espontânea de olhar (pequenas e rápidas deflexões em Fp1 e Fp2), e os retângulos verdes (B, linha superior) indicam o ritmo alfa visto no EEG adquirido durante um estudo neurocognitivo. As atividades de baixa amplitude e alta frequência predominantemente em Fp1 e Fp2 são artefatos musculares (espessamento do rastreamento EEG, linha superior). As pontas das flechas vermelhas (B e C, linha inferior) indicam os pontos de tempo em que as atividades epilépticas foram identificadas no EEG adquiridos durante um estudo de epilepsia (deflexões acentuadas para baixo ou para cima que às vezes são seguidas por uma onda lenta). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: Dados representativos de ressonância magnética adquiridos de um sujeito usando este protocolo. Note que os eletrodos EEG não causaram artefatos visíveis nas imagens mr adquiridas simultaneamente. (A) magnetização preparada aquisição rápida com imagem de eco gradiente; (B) imagem de eco planar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Este protocolo destacou os pontos importantes para a aquisição segura simultânea de dados de boa qualidade.

Alguns erros comuns que resultam em artefatos difíceis de remover no EEG, bem como técnicas de solução de problemas são os seguintes. Em primeiro lugar, escolher assuntos compatíveis e cooperativos e garantir seu conforto durante a aquisição de dados pode evitar o término prematuro devido às movimentações de sujeitos (etapas 2.1 e 5.4). Em segundo lugar, a impedância não cair abaixo de 20 kΩ após a repetida abrasão do couro cabeludo (passo 2.9) é mais provável devido à escovação inadequada após o uso. Escovar completamente cada abertura dos eletrodos EEG ao lavar a tampa evita esse problema. Em terceiro lugar, configurações inadequadas do hardware e software podem resultar em saturação dos sinais EEG que posteriormente dificultam a remoção de artefatos durante o processamento de EEG offline. Por fim, para evitar o registro de sinais de EEG saturados, mantenha a impedância de cada eletrodo abaixo de 20 kΩ após colocar o sujeito no scanner mr antes da aquisição de dados; diminuir adequadamente as vibrações mecânicas imobilizando a tampa EEG (que também significa a cabeça do sujeito), cabos e fios; monitorar o sinal EEG bruto on-line com o software de gravação e certificar-se de que a taxa de amostragem e a resolução de amplitude estão corretamente configurados.

A aquisição simultânea do EEG e da ressonância magnética levanta importantes questões de segurança relacionadas ao aquecimento induzido por RF e à troca de correntes induzidas por gradiente devido à presença de fios elétricos conectados ao sujeito no campo magnético em rápida mudança⁵. Essas questões de segurança foram amplamente minimizadas ao longo dos anos após descobertas de pesquisa que aprimoraram o conhecimento desse aspecto e levaram a grandes melhorias na tecnologia de equipamentos de EEG compatíveis com mri. No entanto, a preparação descuidada sem o conhecimento adequado ou não tomar precauções de segurança coloca os sujeitos em perigo. Por exemplo, laços que se formam em qualquer lugar dentro do circuito induzem a corrente e possível lesão térmica. A aquisição com os eletrodos em alta impedância não só dificulta a qualidade dos dados do EEG, mas também representa um risco potencial para o sujeito (lesão térmica devido à alta densidade atual). O mesmo perigo se aplica a eletrodos quebrados. Os cabos colocados próximos à parede do furo mr, ou seja, longe do centro, também representam um potencial risco de aquecimento para o sujeito (aquecimento devido ao efeito de antena)²⁵. Este protocolo enfatiza os seguintes aspectos de segurança: não se formam loops dentro do circuito entre o sujeito e o amplificador, todos os eletrodos têm baixa impedância durante a ressonância magnética, e todos os cabos são colocados no centro do furo. Os operadores iniciantes são aconselhados a passar por treinamento e seguir as diretrizes do fabricante encontradas no manual do usuário e vídeos de demonstração²⁰ para evitar quaisquer preocupações de segurança.

As principais causas dos artefatos encontrados no EEG-fMRI são a troca de gradiente da ressonância magnética, BCG, ou os movimentos brutos ou sutis do sujeito (movimentos faciais, aperto, deglutição etc.). Em algumas configurações de ressonância magnética, artefatos causados pela bomba de hélio e ventiladores também comprometem significativamente os sinais de EEG. Os artefatos de gradiente mr são bastante consistentes nas formas de onda e podem ser suficientemente corrigidos usando uma técnica de subtração baseada em modelo se forem totalmente registrados sem distorção usando amplificadores com alcance dinâmico suficiente²⁴. Os artefatos BCG geralmente são corrigidos usando a técnica de subtração^26,análise de componentes^{independentes 6,}conjunto de base ideal⁸, ou uma combinação dessas técnicas¹⁰. Recentemente, a remoção de artefatos usando simples regressão baseada em sinais adquiridos simultaneamente com laços de fio de carbono foi desenvolvida⁷^,⁹. O protocolo aqui apresentado ilustra o aspecto técnico, com o objetivo de fornecer um guia introdutório para aqueles que estão interessados em utilizar esse método. Este método remove bcg, movimentos sutis do sujeito e artefatos da bomba de hélio e os sinais de EEG resultantes são supostamente superiores aos corrigidos usando outros métodos⁷^,⁹. No entanto, artefatos de movimento maiores, especialmente aqueles que contêm movimentos oscilantes, não são removíveis mesmo usando este método⁷. Apesar da melhoria dessas metodologias de remoção de artefatos ao longo dos anos, artefatos inconsistentes, incluindo os causados pela vibração induzida por máquinas de ressonância magnética ainda são difíceis de remover. Além disso, quanto mais extenso o procedimento de remoção de artefatos, maior o risco de perder alguns sinais reais de EEG. Portanto, uma boa preparação que possa minimizar os artefatos inconsistentes permanece mais importante na aquisição do EEG-fMRI. Neste protocolo, esses artefatos são minimizados usando: (1) um curativo elástico para envolver a cabeça e os travesseiros de espuma de memória para imobilizar a cabeça na bobina da cabeça, para reduzir a possível vibração dos fios, mantendo o conforto do sujeito; (2) algodão e fita adesiva médica para reduzir a vibração do fio eletrodo ECG que pode não ser totalmente imobilizado pelo próprio peso do sujeito (parcialmente flutuando entre o sujeito e a mesa especialmente em um sujeito fino); e (3) sacos de areia para imobilizar os cabos colocados no furo de ressonância magnética. Estas são técnicas importantes para minimizar artefatos de vibração induzidos por máquinas de ressonância magnética de difícil remover, que não foram descritos no protocolo EEG-fMRI^{publicado anteriormente.} Nesse protocolo, os sujeitos foram colocados no scanner sem embrulho adicional sobre a tampa EEG e preenchimento em torno da cabeça, e os cabos foram gravados apenas em alguns pontos sem imobilização usando sacos de areia. Com base em 20 anos de experiência no Instituto Neurológico de Montreal, percebemos que essas medidas podem contribuir para a suscetibilidade dos fios e cabos eletrodos à vibração induzida por máquinas de ressonância magnética, embora raramente sejam enfatizadas na maioria dos estudos de EEG-fMRI⁶. Minimizar a vibração induzida pelo maquinário de ressonância magnética, posteriormente, leva a uma melhor qualidade e legibilidade do EEG, o que é particularmente útil para identificar mudanças sutis ou eventos no EEG^6,como pequenas descargas epilépticas em estudos de epilepsia e ERPs de ensaio único em estudos neurocognitivos.

A detecção de ERPs em sinais EEG é um pré-requisito para estudos de neurociência cognitiva. Em contraste com a clássica grande resposta média entre os ensaios, a detecção de ensaio único ERP, que fornece insights sobre a dinâmica cerebral em resposta a um estímulo particular, está se tornando um novo alvo em estudos modernos de neurociência cognitiva e pesquisa de interface cérebro-computador não invasiva²⁷. A aplicação do presente protocolo pode contribuir para aumentar a eficiência nesses campos de pesquisa.

O protocolo é mais adequado para o sistema de EEG compatível com ressonância magnética utilizado neste estudo. No entanto, acreditamos que os pontos importantes também podem ser aplicáveis a outros sistemas de EEG compatíveis com ressonância magnética.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo foi patrocinado pelo Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações do Japão (NICT).

Os autores agradecem aos físicos e tecnólogos do Centro de Informação e Redes Neurais por sua dedicação na aquisição de dados de ressonância magnética de boa qualidade.

Dr. Khoo é financiado pela Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H06261, 19K21353, 20K09368) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão e uma bolsa do Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicações do Japão (NICT), e foi apoiada por Mark Rayport e Shirley Ferguson Rayport em cirurgia de epilepsia e a bolsa Preston Robb do Instituto Neurológico de Montreal (Canadá), uma bolsa de pesquisa da Fundação Memorial Uehara (Japão). Ela recebeu um prêmio patrocinado pela Sociedade Japonesa de Epilepsia, apoio do programa American Epilepsy Society (AES) Fellows e bolsa de viagens da Liga Internacional Contra a Epilepsia (ILAE).

Dr. Tani é financiado pela Grant-in-Aid for Scientific Research (No. 17K10895) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão e recebeu apoio de pesquisa da Fundação Mitsui-Kousei, financiamento para uma viagem da Medtronic, royalties da publicação de artigos (Gakken Medical Shujunsha, Igaku-shoin), e honoraria de servir como palestrante (Medtronic, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, Eisai Pharmaceuticals).

Dr. Oshino é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (nº 17K10894) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão. Recebeu royalties da publicação de artigos (Medicalview, Igaku-shoin), e honoraria de servir como palestrante (Insightec, Eisai Pharmaceuticals, Daiichi-Sankyo Pharmaceuticals, UCB, Otsuka Pharmaceuticals, Teijin Pharma, Yamasa Corporation).

Fujita é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (nº 19K18388) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão.

Gotman é financiado pelo Instituto Canadense de Pesquisa em Saúde (No. FDN 143208).

Dr. Kishima é financiado pelo Grant-in-Aid for Scientific Research (Nos. 18H04085, 18H05522, 16K10212, 16K10786) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão, Programa de Promoção da Inovação Estratégica Cross-ministerial (Nº. SIPAIH18E01), Agência do Japão para Pesquisa e Desenvolvimento Médico, e Japan Epilepsy Research Foundation.

Materials

BrainAmp EXG MR	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible bipolar amplifier
BrainAmp MR Plus	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible EEG amplifier
BrainCap MR	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible EEG cap
ESPA elastic bandage	Toyobo co., Ltd.	elastic bandage for for wrapping the subject's head
One Shot Plus P EL-II alcohol swab	Shiro Jyuji, Inc.	Alcohol swab for preparing the skin
Power Pack	Brain Products, GmBH, Germany	MRI-compatible battery pack for electric supply of the amplifiers
SyncBox	Brain Products, GmBH, Germany	Phase synchronization between the EEG equipment and the MRI scanner
USB 2 Adapter (BUA)	Brain Products, GmBH, Germany	USB Adaptor to connect the amplifiers to the recording computer
V19 abrasive conductive gel	Brain Products, GmBH, Germany	Abrasive gel for the application of the EEG-cap
Yu-ki Ban GS Medical adhesive tape	Nitoms, Inc.	medical adhesive tape to secure the ECG electrode and carbon wire loops

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Khoo, H. M., Fujita, Y., Tani, N., Shimokawa, T., Zazubovits, N., Oshino, S., Gotman, J., Kishima, H. Reliable Acquisition of Electroencephalography Data during Simultaneous Electroencephalography and Functional MRI. J. Vis. Exp. (169), e62247, doi:10.3791/62247 (2021).